스마트폰, 스마트워치, 무선 이어폰 등 현대인의 필수 아이템들이 점점 더 무선 충전으로 바뀌고 있습니다.
초기에는 충전을 위해 선을 연결해야 했지만(저는 지금도 이걸 사용하고 있네요..), 이제는 한 개의 무선 충전 패드 위에 여러 기기를 동시에 충전하는 시대가 왔습니다.
과연 무선 충전 기술은 어디까지 발전할 수 있을까요?
무선전력전송 기술
무선전력전송(WPT) 기술은 크게 근거리 전송기술과 안테나를 원거리 전송기술로 구분됩니다.
근거리 전송기술은 근거리에서 전력을 전송하는 방식으로 자기유도방식과 자기공명방식이 있습니다.
두 방식의 기본적인 전송 원리는 동일합니다.
1차 코일에 흐르는 전류로부터 발생하는 자기장의 대부분이 2차 코일을 통과하면서 2차 코일에 유도전류가 흘러 기기에 전력을 공급하는 기술입니다.
다만 자기유도방식은 1차 코일과 2차 코일의 공진 주파수가 다르지만, 자기공명방식은 공진 주파수를 동일하게 맞추어 에너지를 보다 효율적으로 전송할 수 있습니다.
공진은 공명이라고도 말하는데, 그네가 내려가는 타이밍에 맞춰 뒤에서 밀어주면 더 높이 올라갈 수 있듯이 공진 주파수도 맞추면 그 에너지가 증폭됩니다.
가정용 전기는 교류로 흐르고 교류는 전력을 공급하는 주기(Period)를 가지고 있어 이 주기를 맞추면 증폭되어 큰 자기장이 만들어져 더 먼 거리에서도 전력전송이 가능한 것입니다.
이 원리로 인해 자기공명방식이 자기유도방식보다 더 먼 거리에서도 전력 전송이 가능하게 됩니다.
한편, 자기유도방식과 자기공명방식보다 더 먼 거리에서 에너지 전송이 가능한 기술이 있는데, 그것이 바로 전파(RF) 기반 기술입니다.
고주파 전자기파를 이용하여 전력을 전달하는 기술로, 기존의 자기장을 이용하는 방식보다 훨씬 더 먼 거리에서도 에너지를 전송할 수 있씁니다.
이러한 전파를 이용한 원거리 무선전력전송에서는 안테나가 중요한 역할을 합니다.
안테나는 어렸을 때 건물 위에 설치되어있는 원판으로 많이 접했을텐데요. 안테나가 TV와 연관되어있는 것은 알지만 원리가 어떻게 되는지는 알기 힘듭니다.
안테나는 위성과 단짝을 이뤄서 행동하는데, 기지국에서 위성으로 전파를 보내면 위성에서 안테나로 전파를 다시 보내 TV가 나오는 것이다.
그렇다면 TV는 어떻게 24시간 365일동안 버퍼링없이 프로그램을 재생할 수 있을까요? 그건 위성이 지구 자전과 똑같이 회전하여 끊임없이 전파를 전달할 수 있기 때문입니다.
그 원리는 중학생때 물리시간에 배우는 힘의 평형과 관련이 있는데요.
원심력과 위성-지구와의 만유인력이 같은 지점(대략 4만 km로 정지궤도라고 함)에 두면 멈추지 않고 끊임없이 회전하게 되고 끊김없이 TV를 볼 수 있게 됩니다.
위성과 연계하여 신호를 송수신하는 안테나는 전력 전송 기술에서 매우 종요한 요소인데요.
특히 우크라이나 전쟁에서 스타링크가 위성과 자그마한 안테나를 공급해 전기 공급이 되지 않는 곳에도 전기를 공급함으로써 많은 화제를 불러일으켰습니다.
우주 태양광 발전 : 차세대 에너지원
전세계적으로 지구온난화 이슈가 부상하고 있습니다. 특히 잦은 산불로 인해 큰 재산 피해가 발생하면서 더욱 더 지구온난화 해결에 대한 목소리가 높아지고 있으며, 그로 인해 화석연료가 아닌 신재생에너지에 대한 수요가 증가하고 있습니다.
대표적인 신재생에너지로 태양광과 풍력이 있습니다.
비록 유효생산량은 30%로 작지만 엄청난 투자와 기술개발 덕분에 발전단가가 기하급수적으로 낮아져 유럽에선 에너지 생산량의 많은 부분을 차지합니다.
하지만 여전히 태양광의 경우 구름이나 비가 내리면 발전이 되지 않고 밤에는 당연히 발전이 이뤄지지 않습니다.
하지만 이러한 한계를 극복할 수 있는 획기적인 기술이 있는데 그것이 바로 우주 태양광 발전입니다.
우주에서는 대기, 구름, 날씨의 영향을 받지 않아 항상 태양광을 받을 수 있습니다.
또한 우주에서 받는 태양광은 대기를 통과한 지구의 태양광보다 약 10배 강력합니다.
게다가 현재 신재생에너지의 간헐성으로 인해 ESS(에너지 저장 시스템)을 사용하고 있는데, 우주 태양광은 안정적인 전력 공급이 가능하여 별도의 에너지 저장 장치 없이도 운영할 수 있습니다.
사실 우주 태양광 발전은 꽤 오래 전부터 많은 연구가 이뤄졌고 지금도 이뤄지고 있습니다.
실제로 2020년 미국 해군연구소(USNI)는 무인 소형우주선 X-37B에 '광전 라디오파 안테나 모듈(PRAM)'을 장착한 소형 위성을 실어 발사하였습니다.
이 프로젝트의 목표는 태양광을 받아 만든 전기에너지를 마이크로파로 바꾸는 에너지 변환 실험이었고 성공적으로 이뤄졌죠.
하지만 우주 태양광발전은 아직 갈길이 먼 초기 단계 기술입니다.
우선 태양광 발전이 의미가 있으려면 사용가능할 만큼의 전력을 공급해야 하는데, 최소한 원전 규모인 기가와트(GW)급은 되어줘야합니다.
이 규모로 전력을 송신하려면 우주 공간에서 1~2km 폭의 태양광 전지판을 설치해야하며, GW급 마이크로파를 지상에 쏴주는 안테나의 폭은 최소 1km, 지상에서 수신하는 안테나의 크기는 직경 5~10km 정도가 필요합니다.
가정집에서 설치하는 안테나와는 비교가 되지 않는 크기이기 때문에 설치 공간이 굉장히 커야하며, 전자파가 인체에 영향을 미치지 않는 곳에 안테나를 설치해야합니다. 그래서 사막이나 풍력발전기처럼 해상에 설치하는 수밖에 없죠.
관련 투자 포인트
우주 태양광 발전이 실현되기 위해서는 여러 핵심 기술이 필요합니다.
1. 무선전력전송(WPT) 기술
GW급 에너지를 지구로 송신하려면 강력한 전력 반도체가 필요합니다. 이 분야에서 GaN(질화갈륨) 반도체가 핵심 기술로 떠오르고 있습니다.
- 미국 : Wolfspeed (WOLF), ON Semiconductor (ON), Texas Instruments (TXN)
- 한국 : RFHIC, 아이브이웍스
2. 태양광 전지판
우주에서 사용될 태양광 패널은 초경량이면서도 높은 변환 효율을 가져야 합니다.
- 미국 : First Solar (FSLR), SunPower (SPWR)
- 한국 : 한화솔루션, 현대에너지솔루션
3. 위성 발사체
태양광 발전을 위한 위성을 우주로 보내기 위해서는 발사체 기술이 필수적입니다. 현재 가장 앞서 있는 기업은 SpaceX이나 아쉽게도 비상장 기업입니다.
- 미국 : Rocket Lab (RKLB), Northrop Grumman (NOC)
- 한국 : 한화에어로스페이스, AP위성
4. 안테나 및 지상 수신 시스템
우주에서 전력을 송신하려면 초대형 안테나가 필요하며, 이를 지상에서 수신할 수 있는 기술도 필수적입니다.
- 미국 : L3Harris (LHX), Viasat (VSAT)
- 한국 : 인텔리안테크, 케이엠더블유
결론
우주 태양광 발전은 여전히 초기 단계에 있지만, 미래 신재생에너지의 핵심 기술로 자리 잡을 가능성이 큽니다.
특히 무선전력전송, 태양광 전지판, 위성 발사체, 안테나 기술과 관련된 기업들은 향후 몇 년간 높은 성장 잠재력을 가질 것입니다.
주식 투자자라면 이러한 기업들을 지켜보는 것도 좋을 것 같습니다.
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